CN110507281A - 一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，包括相机，用于获取人眼图像；光刺激源，为用户提供至少一种刺激光源；距离测量传感器，用于测量相机到人眼的距离；以及对瞳孔进行补全的图像分析模块和根据数据测量传感器的数值及补全后的瞳孔图像获取瞳孔数据的数据分析模块。本发明的优点在于：便于携带、兼容性佳；提供了多种光源和声源，便于选择刺激类型，通过半反光镜满足暗室要求，通过红外补光灯对瞳孔进行补光，便于获取清晰图像；通过距离测量传感器，准确获取瞳孔与检测设备的距离；通过补全算法，能够准确提取瞳孔对光反射各项客观参数，非常适合神经科、眼科及精神科临床及科研需要。
Description
技术领域
本发明涉及瞳孔生理数据获取设备技术领域，尤其涉及一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备。
背景技术
瞳孔对光反射是一种生理现象，指瞳孔在被可见光照射时，瞳孔会缩小，光源移开后，瞳孔会迅速恢复原状。瞳孔检测通常要求在暗室下进行，最好是具有全封闭式的遮光环境。
作为一种经典的神经科简易床旁检查方法，瞳孔对光反射在神经损伤、意识障碍、脑功能障碍的判断中具有重要作用。随着现代神经科学的发展，越来越多的证据提示该项检查在帕金森病、认知障碍、自主神经功能障碍评估等方面同样具有重要的参考价值，并有望成为一种能客观反映疾病亚型的电生理标志物。传统上，瞳孔对光反射主要依靠手电筒、检查者通过手工检查、肉眼观察完成评估，结果相对主观，无法定量分析，不便于多中心数据的同质化管理。目前，市场上定量的瞳孔对光反射检查设备主要来自欧美国家，价格昂贵，国内尚缺乏拥有自主知识产权的仪器。
正常情况下，一般人瞳孔为直径2~6毫米的圆形，两侧瞳孔大小基本相同，在受到光照刺激时，对瞳孔直径的变化过程的分析，使用一定的算法，会得到多个参数如潜伏期、稳定直径、最小直径、瞳孔收缩时的最大加速度、瞳孔收缩的最大速度等参数。这些数据具有显著的临床意义。
瞳孔对光反射定量检测通常是使用摄像头采集瞳孔，通过图像分析技术，计算出以像素为单位的瞳孔直径D，然后再用公式F：瞳孔真实大小(M，单位为毫米)=瞳孔直径(D)*每个像素代表的瞳孔真实物理大小(K，单位为毫米/像素，与摄像头到瞳孔的距离相关)，得到瞳孔的物理大小。采用电子方式来检测瞳孔直径，都必须根据前述公式F来得到瞳孔的真实物理大小。而目前已有的设备，不管是固定式检测箱还是手持式检测仪，摄像头与瞳孔的距离都不是一个稳定值，不同的被试由于各种原因，不可能做到瞳孔与摄像头距离一致，因此，带来的问题就是，现有设备检测出来的瞳孔直径，由于K是一个定值，但根据前述原因，K实际上不可能是一个定值，从而导致瞳孔真实大小与测试值存在难以消除的误差。
另外，现有技术还存在以下问题：
1、现有检测设备，在对瞳孔处理时，都要求采集的图像中瞳孔完整，才能有效计算瞳孔直径，而实际临床环境中，被试在测试时不一定能完全露出瞳孔，从而导致瞳孔直径不能准确计算
2、刺激光源固定单一，不能做到多种颜色光源切换
3、不能提供声刺激
4、固定式检测箱体积较大，对检查场地有一定的要求，不具有便携性。
5、手持式检测仪不具有遮光性。
发明内容
针对上述问题，本申请提供一种能够消除距离变化对瞳孔测量的影响的瞳孔检测设备。
本申请是通过以下技术方案解决上述技术问题的。
一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，包括
相机，用于获取人眼图像；
光刺激源，为用户提供至少一种刺激光源；
距离测量传感器，用于测量相机到人眼的距离；
以及对瞳孔进行补全的图像分析模块和根据距离测量传感器的数值及补全后的瞳孔图像获取瞳孔数据的数据分析模块；
所述相机的信号输出端与图像分析模块的信号输入端通信连接，距离测量传感器的信号输出端与数据分析模块信号输入端通信连接，图像分析模块的信号输出端与数据分析模块的信号输入端通信连接。
优选地，所述图像分析模块对瞳孔进行补全的方法为：
步骤A：获取图像，提取瞳孔边沿，判断瞳孔是否被遮挡；如果瞳孔被遮挡，跳转至步骤B，否则跳转至步骤E；
步骤B：在瞳孔边沿上任取三个像素点计算瞳孔所在圆的圆心和半径，重复这一步骤，直至遍历瞳孔边沿上的所有像素点；
步骤C：对步骤B中获取的所有圆心和半径进行最小二程法拟合得到拟合圆的圆心和半径；
步骤D：对拟合圆和瞳孔边沿进行方差分析，判断拟合精度是否满足要求，若拟合精度不满足要求，调整拟合参数，跳转至步骤C；若拟合精度满足要求，跳转至步骤E；
步骤E：将瞳孔边沿数据传递至数据分析模块。
优选地，当拟合圆与瞳孔边沿的方差置信度大于0.95时，拟合精度满足要求。
优选地，步骤A中若瞳孔点集包络区域的面积<100个像素，则判断瞳孔被遮挡；否则判断瞳孔未被遮挡。
优选地，所述数据分析模块获取的瞳孔数据包括瞳孔变化过程的潜伏期、稳定直径、最小直径、瞳孔收缩时的最大加速度和最大速度。
优选地，所述数据分析模块获取瞳孔数据的方法为：
步骤1：设置滤波参数对完整刺激过程的瞳孔数据进行滤波处理，计算正常状态时的平稳直径和瞳孔最小时的最小直径；
步骤2：对连续图像上对应的两点，计算速度和加速度，遍历整个刺激过程的所有直径数据，获得瞳孔应激变化的最大速度和最大加速度；如果存在连续三次速度大于10mm/s的点，则为应激反应开始的时间，记录该位置数据；
步骤3：输出瞳孔数据。
优选地，还包括参数设置模块和单片机，所述单片机的信号输入端与参数设置模块、相机和距离测量传感器的信号输出端通信连接，单片机的信号输出端与光刺激源、图像分析模块和数据分析模块的信号输入端通信连接；通过所述参数设置模块能够像单片机发出指令改变光刺激源产生的光强度、时间和频率。
优选地，所述光刺激源还包括红、绿、蓝三组滤光片；所述瞳孔检测设备还包括红外补光灯和将红外补光灯的光线反射到瞳孔区域的半反半透镜，瞳孔正视前方时，半反半透镜的法向与视线夹角呈30~60°，红外补光灯发出的红外光波长为850~940nm。
优选地，还包括信号输入端与单片机信号输出端通信连接的声刺激源，所述声刺激源能够根据参数设置模块的指令发出刺激声源。
优选地，所述图像分析模块、数据分析模块和参数设置模块集成于计算机软件中，所述计算机软件为电脑软件或手机软件或嵌入式软件或网页。
本发明提供一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备的优点在于：以目镜为基础，便于携带、兼容性佳；提供了多种光源和声源，便于选择刺激类型，通过半反光镜满足暗室要求，通过红外补光灯对瞳孔进行补光，便于获取清晰图像；通过距离测量传感器，准确获取瞳孔与检测设备的距离，消除误差；通过补全算法，能够准确提取瞳孔数据，对光反射各项客观参数，非常适合神经科、眼科及精神科临床及科研需要。
附图说明
图1是本发明的实施例所提供的瞳孔检测设备的组成示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，包括用于获取人眼图像的相机1、为用户提供刺激光源的光刺激源2、测量相机1到人眼的相对距离的距离测量传感器3、以及对瞳孔图像进行补全的图像分析模块41和根据距离测量传感器3的数值及补全后的图像获取瞳孔数据的数据分析模块42；在使用时，将检测设备置于人眼之前，令相机1的镜头对准瞳孔，通过光刺激源2发出光线刺激人眼，相机1记录瞳孔的变化过程并将图像发送给图像分析模块41，图像分析模块41对不完整的瞳孔图像进行补全后发送给数据分析模块42，同时距离测量传感器3将采集到的数据传送给数据分析模块42，优选实施例中距离测量传感器3选用红外传感器测距，其直接得到的数据为距离测量传感器3与瞳孔之间的距离，由于相机1与距离测量传感器3的相对位置已经确定，可以利用瞳孔与距离测量传感器3之间的相对距离计算出瞳孔与相机1之间的距离；然后通过该距离以及补全后的图像获得瞳孔的数据。
通过引入距离测量模块3，能够针对不同使用者分别确定瞳孔与相机1的相对距离，提高测量数据精度；优选实施例中，所述相机1选用红外相机以提高成像质量。
进一步地，本实施例提供的瞳孔检测设备还具有声刺激源6，以便于研究声音刺激对瞳孔收缩的影响。为了探究不同颜色的光线对瞳孔收缩的影响，所述光刺激源2可采用可变光灯，根据需要选择发光颜色；也可以在光刺激源2和瞳孔之间设置滤光片，所述滤光片包括红、绿、蓝三组，从而可以为用户提供红、绿、蓝、白四种颜色的光线，如需其他颜色，选用相应的滤光片或多个滤光片的组合即可。
为了进一步提高相机1的成像质量，所述瞳孔检测设备还包括红外补光灯（图未示）和将红外补光灯的光线反射到瞳孔区域的半反半透镜（图未示），瞳孔正视前方时，半反半透镜的法向与视线夹角呈30~60°，优选为45°；所述红外补光灯提供波长为850~940nm的红外光。
所述瞳孔检测设备还包括参数设置模块43和单片机5，所述单片机5的信号输入端与参数设置模块43、相机1和距离测量传感器3的信号输出端通信连接，单片机5的信号输出端与光刺激源2、声刺激源6、图像分析模块41和数据分析模块42的信号输入端通信连接，图像分析模块41的信号输出端与数据分析模块42的信号输入端通信连接。所述参数设置模块43发出指令给单片机5，单片机5根据指令控制光刺激源2和声刺激源6的开关及光强度、时间、频率和相应的声音参数。
所述图像分析模块41对瞳孔进行补全的方法包括以下步骤：
步骤A：获取图像，提取瞳孔边沿，若瞳孔点集包络区域的面积<100个像素，则认为瞳孔被遮挡，跳转至步骤B，否则跳转至步骤E；
步骤B：在瞳孔边沿上任取三个像素点计算瞳孔所在圆的圆心和半径，重复这一步骤，直至遍历瞳孔边沿上的所有像素点；
步骤C：对步骤B中获取的所有圆心和半径进行最小二程法拟合得到拟合圆的圆心和半径；
步骤D：对拟合圆和瞳孔边沿进行方差分析，判断拟合精度是否满足要求，若拟合精度不满足要求，调整拟合参数，跳转至步骤C；若拟合精度满足要求，跳转至步骤E；
步骤E：将瞳孔边沿数据传递至数据分析模块。
其中，当拟合圆与瞳孔边沿的方差置信度大于0.95时，认为拟合精度满足要求。
数据分析模块42获取的瞳孔数据包括瞳孔变化过程的潜伏期、稳定直径、最小直径、瞳孔收缩时的最大加速度和最大速度等，数据分析模块42获取上述数据的方法为：
步骤1：设置滤波参数对完整刺激过程的瞳孔数据进行滤波处理，计算正常状态时的平稳直径和瞳孔最小时的最小直径；
步骤2：对连续图像上对应的两点，计算速度和加速度，遍历整个刺激过程的所有直径数据，获得瞳孔应激变化的最大速度和最大加速度；如果存在连续三次速度大于10 mm/s的点，则为应激反应开始的时间，记录该位置数据；通过比较提供刺激的时间和应激反应开始的时间可以得到瞳孔的应激反应潜伏期；
步骤3：输出瞳孔数据。
所述图像分析模块41、数据分析模块42和参数设置模块43可以用常规的控制器写入相关算法从而实现相应功能，也可以将他们集成于计算机软件中，通过调用电子设备自身的处理器来进行处理；所述计算机软件为电脑软件或手机软件或嵌入式软件或网页。
Claims (10)
1.一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，其特征在于：包括
相机，用于获取人眼图像；
光刺激源，为用户提供至少一种刺激光源；
距离测量传感器，用于测量相机到人眼的距离；
以及对瞳孔进行补全的图像分析模块和根据距离测量传感器的数值及补全后的瞳孔图像获取瞳孔数据的数据分析模块；
所述相机的信号输出端与图像分析模块的信号输入端通信连接，距离测量传感器的信号输出端与数据分析模块信号输入端通信连接，图像分析模块的信号输出端与数据分析模块的信号输入端通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，其特征在于：所述图像分析模块对瞳孔进行补全的方法为：
步骤A：获取图像，提取瞳孔边沿，判断瞳孔是否被遮挡；如果瞳孔被遮挡，跳转至步骤B，否则跳转至步骤E；
步骤B：在瞳孔边沿上任取三个像素点计算瞳孔所在圆的圆心和半径，重复这一步骤，直至遍历瞳孔边沿上的所有像素点；
步骤C：对步骤B中获取的所有圆心和半径进行最小二程法拟合得到拟合圆的圆心和半径；
步骤D：对拟合圆和瞳孔边沿进行方差分析，判断拟合精度是否满足要求，若拟合精度不满足要求，调整拟合参数，跳转至步骤C；若拟合精度满足要求，跳转至步骤E；
步骤E：将瞳孔边沿数据传递至数据分析模块。
3.根据权利要求2所述的一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，其特征在于：当拟合圆与瞳孔边沿的方差置信度大于0.95时，拟合精度满足要求。
4.根据权利要求2所述的一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，其特征在于：步骤A中若瞳孔点集包络区域的面积<100个像素，则判断瞳孔被遮挡；否则判断瞳孔未被遮挡。
5.根据权利要求1所述的一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，其特征在于：所述数据分析模块获取的瞳孔数据包括瞳孔变化过程的潜伏期、稳定直径、最小直径、瞳孔收缩时的最大加速度和最大速度。
6.根据权利要求5所述的一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，其特征在于：所述数据分析模块获取瞳孔数据的方法为：
步骤1：设置滤波参数对完整刺激过程的瞳孔数据进行滤波处理，计算正常状态时的平稳直径和瞳孔最小时的最小直径；
步骤2：对连续图像上对应的两点，计算速度和加速度，遍历整个刺激过程的所有直径数据，获得瞳孔应激变化的最大速度和最大加速度；如果存在连续三次速度大于10mm/s的点，则为应激反应开始的时间，记录该位置数据；
步骤3：输出瞳孔数据。
7.根据权利要求1所述的一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，其特征在于：还包括参数设置模块和单片机，所述单片机的信号输入端与参数设置模块、相机和距离测量传感器的信号输出端通信连接，单片机的信号输出端与光刺激源、图像分析模块和数据分析模块的信号输入端通信连接；通过所述参数设置模块能够像单片机发出指令改变光刺激源产生的光强度、时间和频率。
8.根据权利要求1所述的一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，其特征在于：所述光刺激源还包括红、绿、蓝三组滤光片；所述瞳孔检测设备还包括红外补光灯和将红外补光灯的光线反射到瞳孔区域的半反半透镜，瞳孔正视前方时，半反半透镜的法向与视线夹角呈30~60°，红外补光灯发出的红外光波长为850~940nm。
9.根据权利要求7所述的一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，其特征在于：还包括信号输入端与单片机信号输出端通信连接的声刺激源，所述声刺激源能够根据参数设置模块的指令发出刺激声源。
10.根据权利要求6所述的一种目镜式瞳孔对光反射自动检测设备，其特征在于：所述图像分析模块、数据分析模块和参数设置模块集成于计算机软件中，所述计算机软件为电脑软件或手机软件或嵌入式软件或网页。
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2019
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